决赛专题讲义

第 43 届全国中学生物理竞赛 · 决赛短训

决赛专题讲义

每个专题从一个工程或科研背景出发,先补齐普通物理之外的前置知识,再逐步推导到可以出决赛题的深度;附决赛风格例题、笔试型实验数据处理题和可调参数的交互演示。每讲均提供网页版与 PDF 版,并经过两轮独立审稿。

力学

M1 · 力学

振动陀螺:从傅科摆到半球谐振陀螺

转动参考系、科里奥利力、简并模式与 Bryan 因子;从傅科摆讲到手机 MEMS 陀螺与半球谐振陀螺,附 Allan 方差数据处理。

M2 · 力学 · 热学

原子力显微镜:悬臂梁、跳触失稳与热噪声标定

弹性梁的弯曲与振动、针尖–样品力导致的跳触失稳、调频检测与热噪声标定。

M3 · 力学

比风更快:帆船、冰帆船、Blackbird 与 Betz 极限

视风与升阻比、航向定理、冰帆船、顺风比风快的 Blackbird 与风力机 Betz 极限——参考系与功率的较量。

M4 · 力学

赫兹接触、牛顿摆与颗粒晶体中的孤立波

赫兹接触理论(含 Boussinesq 解推导)、碰撞时间标度、牛顿摆之谜与颗粒链中的 Nesterenko 孤立波。

热学

T1 · 热学 · 统计

信息热力学:Szilard 引擎、Landauer 极限与分子马达

Maxwell 妖、Szilard 引擎、Landauer 擦除极限、布朗棘轮与分子马达,附光镊标定数据处理。

T2 · 热学

斯特林机与热声发动机——让声波做热机

斯特林循环与回热、Schmidt 分析、驻波中的气团热机与临界温度梯度、行波热声机与脉管制冷。

T3 · 热学

储能热力学:压缩空气、卡诺电池与有限时间热力学

开口系统第一定律与可用能、压缩空气储能、卡诺电池与 Curzon–Ahlborn 有限时间热力学。

T4 · 热学 · 流体

气泡与空化——Rayleigh 塌缩、Minnaert 共振与枪虾

Rayleigh–Plesset 方程、空泡塌缩、Minnaert 共振、含泡液体声速与枪虾空化。

电磁学

E1 · 电磁学

磁共振无线输电:两个谐振电路如何“隔空握手”

两个谐振电路如何隔空传能:互感与耦合系数、效率只由 kQ 决定、频率分裂与临界耦合,复算 MIT 2007 实验。

E2 · 电磁学

电子光学:磁透镜、Scherzer 定理与球差校正

轴对称磁场为什么是透镜:Busch 公式、拉莫尔转动、Scherzer 定理与电镜球差校正,附磁聚焦测比荷。

E3 · 电磁学

地球是一个漏电的电容器:全球大气电路、雷电与舒曼共振

地球是一个漏电的电容器:晴天电场、全球大气电路、雷电与跨步电压、舒曼共振。

E4 · 电磁学

椭球静电学:共焦二次曲面、旋转椭球坐标与导体椭球的电容

共焦二次曲面与旋转椭球坐标:导体椭球的电容、均匀带电椭球的二次型内势、退磁因子与沿长轴的均匀极化——每个结论都用坐标法与另一种方法各推一遍。

E5 · 电磁学 · 近代物理

场效应晶体管:用电场开关电流

用电场开关电流:MOS 电容的积累、耗尽与反型,阈值电压与渐变沟道 I–V,亚阈值摆幅的 60 mV/dec 玻尔兹曼极限,CMOS 与器件缩小。

光学

O1 · 光学

几何像差:赛德尔五像差的来源、效果与消除

赛德尔五像差的来源(波像差展开)、效果(点列图与标度)、示例与消除(齐明、对称、非球面、Petzval),含色差与光线追迹。

O2 · 光学

激光谐振腔与高斯光束——从 ABCD 矩阵到 LIGO 臂腔

ABCD 矩阵、谐振腔稳定条件、高斯光束 q 参数与 Gouy 相位、腔模频率与模式匹配,落到 LIGO 臂腔。

O3 · 光学

打破衍射极限:从阿贝成像理论到超分辨荧光显微

阿贝衍射极限的来源,以及 STED、单分子定位、结构光照明如何绕过它。

近代物理

P1 · 近代物理

原子钟与 GPS 中的相对论

拉比与 Ramsey 方法、原子喷泉与光钟,GPS 定位与每天 38 μs 的相对论修正、Sagnac 效应。

P2 · 近代物理

看见原子:量子隧穿与扫描隧道显微镜

势垒穿透与 WKB:STM 的指数灵敏度、场致发射、α 衰变与量子围栏。

P3 · 近代物理

用宇宙线透视金字塔:$$ 子成像

时间膨胀让宇宙线 μ 子到达地面;透射与散射成像如何发现金字塔空洞、识别货柜中的铀。